流动法测定甲醇分解催化剂活性的实验装置改进

常照荣 李苞 高书燕 张树霞

(河南师范大学化学与环境科学学院 河南新乡453007)

流动法测定甲醇分解催化剂的活性实验已作为物理化学综合性或设计性实验被南京大学、河南师范大学等高等院校选用［1-3］。甲醇是重要的有机化工原料，在化工、医药、轻工、纺织及运输等行业具有广泛的用途。工业合成甲醇常采用H2和CO/CO2为原料的合成路线，其中催化剂起着重要作用。目前对于合成甲醇催化剂的研究主要集中在对Cu/Zn/Al基的掺杂和改进［4-6］，因此，了解和掌握催化剂的制备和性能评价方法对于高年级学生的综合能力培养是有意义的。邱金恒等人将负载型合成甲醇催化剂的研究纳入到高年级学生的研究性实验内容［7］，然而在现有物理化学实验教材中，有关催化剂制备和性能评价的实验还不多，国内开设有关催化剂活性评价实验的高校也尚不普遍。我校在开设流动法测定甲醇催化剂活性实验的教学过程中，发现原有的由稳压管、毛细管流量计等组成的流量控制系统，学生操作起来难度大，很难控制流速在整个实验中保持恒定，从而影响了实验结果的准确性，也影响了该实验的推广和普及。我们将质量流量控制仪引入实验装置，取代了原有的流量控制系统，能够较好地恒定和调节载气流速。

1 流动法测定甲醇分解催化剂活性的原理

甲醇可由H2和CO作原料合成，反应式如下:

这是一个可逆反应，反应速度很慢，关键是要找到优良的催化剂。甲醇合成反应须在较高的压力下进行，有副反应;而甲醇分解反应则可在常压下进行。根据催化剂的特点，对正向反应具有优良活性的催化剂，对逆向反应也同样具有优良的活性。因此合成甲醇的催化剂的活性可利用甲醇的催化分解反应进行评价。

未反应完的反应物可经冷凝而分离，因此，只要测量载气流速和经冷凝后流出的尾气流速便可求得催化剂的活性。

本实验采用流动法测量固相氧化铜催化剂对气相甲醇的复相催化分解的催化活性。用单位质量催化剂在一定条件下使100g甲醇中所分解的质量百分数来表示。以一定流速的N2为载气，流经装有甲醇的液体加料饱和器，将该温度下的甲醇饱和蒸气送入反应管与催化剂接触而发生反应，然后经冷阱分离出未反应的甲醇，通过测定空白和加有催化剂时进入湿式气体流量计的气体体积，便可用下式计算出催化剂活性［2］。

式中p(甲醇)为甲醇在恒温水浴温度下的饱和蒸气压(40℃，p(甲醇)=34.757kPa);p室为室内气压;wc为催化剂质量(g)，M为甲醇的摩尔质量。

显然，流动法测定催化剂活性的关键是要产生和控制稳定的流态反应物。如果流态不稳定，则不可能得到好的实验结果。

2 改进前后的实验装置及特点

2.1 原有实验装置

图1是原有实验的装置示意图。

图1 原有的甲醇分解实验装置图

图1中的3～6构成了载气的流量控制调节系统，其中3是稳压管，内置有液体石蜡，用水准瓶调节液面达到稳压作用。实验操作时，需要缓缓开启氮气钢瓶的减压阀，调节稳压管内的液面高度，使气泡不断地从稳压管的支管经石蜡油逸出，大约为每秒1个气泡。在整个实验过程中，既要保证不断有气泡逸出，同时又要使稳压管内的液面稳定。用秒表在湿式气体流量计刻度盘测量流速，使氮气流速稳定为50～70mL/min。通过改变水准瓶高度来调节流速，至流速稳定后，记下毛细管流速计的压力差读数，作为测量过程中判断流速是否稳定的依据。

学生在实验操作过程中，当缓缓开启氮气钢瓶的减压阀，调节稳压管液面高度时，需要兼顾气泡的速度。由于大多数学生是首次接触氮气钢瓶，很难掌控减压阀的开启力度，往往造成出口处压力过大或过小。过大，会使气泡逸出速度过快而造成液面不稳，甚至造成液态石蜡喷出;过小，则液面上下浮动而不稳定。此外，毛细管流量计中的指示液面会随稳压管气泡的释放而上下波动，造成示值不稳。另外，在实验过程中，随着甲醇液体的挥发，液体加料饱和器中的甲醇逐渐减小，载气流速也随之缓缓增加，这也会造成系统读数误差。因此，在实验过程中需要不断地微调稳压管液面，以校正流速，否则将导致实验出现较大误差，甚至失败。

2.2 改进后的实验装置及特点

图2是改进后的甲醇分解实验装置示意图。

图2所示实验装置是采用气体质量流量控制仪替代原实验装置的流量控制系统。气体质量流量计的主要特点是不受体系温度和压力变动的影响，可直接显示气体流速，计量精度高，容易调节。气体质量流量计型号很多，本实验选用的型号是S49-32B/MT，流量范围在0～200mL/min。选用此装置可以有效地保证在整个实验过程载气的流速恒定，从而保证对其测定的准确性(这是实验成败的关键)。气体质量流量控制仪不受压力的影响，只需打开总气阀，调节减压器手柄至出口压力为一定值即可，不用担心因压力过大而造成气体流速不稳。另外，选用气体质量流量计还简化了实验装置，避免了较多的管路连接。采用新实验装置后的操作非常简单，学生很容易掌握。气体质量流量控制仪的实验操作是:打开质量流量控制器电源开关，将其功能开关置于中间控制档位，开启氮气钢瓶的减压阀至出口处表压为0.1～0.3MPa，此时质量流量控制器显示一定数值的流量，用微调旋钮调至所需流速即可。

图2 改进后的甲醇分解实验装置图

3 改进后的实验效果评价

我们在本校2008级和2009级化学专业的实验教学中采用了本文介绍的新实验装置，对实验结果进行的统计表明:

(1)实验成功率大幅提高，达到100%。

(2)实验误差范围内的实验结果准确率达到95%(未达到标准的5%是催化剂活性偏低，其原因是催化剂装置过于松散、预热时间不够等，而不是因流速不稳造成的)。

(3)新装置中的气体流速控制操作简单，调节所用时间显著缩短，并能保证在整个实验过程中流速恒定，且不受体系中气体因素的干扰，实验流速控制精度为50±0.1mL/min。

此外，实验选用的气体质量流量仪的市场价格约为0.6万元，整个甲醇分解催化剂活性实验装置价格约为1.5万元，价格较低，便于推广和普及。

4 结语

实验教学表明，气体质量流量控制仪不受体系温度和压力变动的影响，可直接显示气体流速，操作简便，计量精度高，将其替代原实验教材装置中的稳压管、毛细管流量计等调控流速的装置，可以有效地避免在实验过程中由于体系压力的变化而造成的载气流速变化，减少由此引进的实验误差，提高实验成功率。

［1］孙尔康，徐维清，邱金恒.物理化学实验.南京:南京大学出版社，1998

［2］常照荣，关新新，冯国利，等.物理化学实验.郑州:河南科技出版社，2009

［3］顾月姝，宋淑娥.基础化学实验(Ⅲ)物理化学实验.北京:化学工业出版社，2007

［4］阴秀丽，常杰，汪俊锋.燃料化学学报，2004，32(4):492

［5］赵云鹏，贾丽华，姚洪，等.浙江化工，2004，35(1):18

［6］吴瑛，吴彬福，王海涛，等.浙江师范大学学报(自然科学版)，2008，31(1):1

［7］邱金恒，高卫，易敏，等.广西师范大学学报(自然科学版)，2003，21:295